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& 2016届高考物理一轮复习课件：选修3-3 3《热力学定律与能量守恒》
2016届高考物理一轮复习课件：选修3-3 3《热力学定律与能量守恒》
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资料概述与简介
【资源平台】备选角度：气体状态变化图像与热力学第一定律综合 【典例】一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的p-V图像如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27℃。 (1)该气体在状态B、C时的温度分别为多少? (2)该气体从状态A到状态C的过程中内能的变化量是多大? (3)该气体从状态A到状态C的过程中是吸热还是放热?传递的热量是多少? 【规范解答】(1)对于理想气体： A→B,由
得：TB=100K,所以tB=-173℃ B→C,由
得：TC=300K,所以tC=27℃ (2)A→C,由温度相等得：ΔU=0 (3)A→C的过程中体积增大,对外做功,吸收热量。 吸收的热量 Q=W=pΔV=1×105×(3×10-3-1×10-3)J=200J。 答案：(1)-173℃　27℃　(2)0　(3)吸热　200J 【解析】选A、C。充气袋被挤压时,体积减小,气体对外界做负功,袋内气体与外界无热交换,由热力学第一定律,可得气体的内能增大,温度升高;气体体积减小,温度升高,由理想气体的状态方程可得压强增大,故A、C正确,B、D错误。 【加固训练】如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图,M、N两筒间密闭了一定质量的气体,M可沿N的内壁上下滑动,设筒内气体不与外界发生热交换,在M向下滑动的过程中(　　) A.外界对气体做功,气体内能增大 B.外界对气体做功,气体内能减小 C.气体对外界做功,气体内能增大 D.气体对外界做功,气体内能减小 【解析】选A。M向下滑动的过程中,气体体积减小,故外界对气体做功,W>0,下滑过程不与外界发生热交换,Q=0,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知内能增大,A正确,B、C、D错误。 考点2
热力学第二定律 1.热力学第一、第二定律的比较： 定律 名称 比较 项目　　 定律揭示的问题 机械能和内能的转化 热力学第一定律 它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系 当摩擦力做功时,机械能可以全部转化为内能 热力学第二定律 它指出自然界中出现的过程是有方向性的 内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能 定律 名称 比较 项目　　 热量的 传递 表述形式 两定律的关系 热力学第一定律 热量可以从高温物体自发传向低温物体 只有一种表述形式 在热力学中,两者既相互独立,又互为补充,共同构成了热力学知识的理论基础
热力学第二定律 说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体 有多种表述形式 2.两类永动机的比较： 分　类 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响的机器 不可能 制成的原因 违背能量守恒 不违背能量守恒,违背热力学第二定律 【典例2】(多选)关于热力学定律,下列说法正确的是(　　) A.为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量 B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加 C.可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功 D.不可能使热量从低温物体传向高温物体 E.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 【解题探究】 (1)改变内能的方式有几种? 提示：两种,做功和热传递。 (2)热力学第一定律的表达式是什么? 提示：热力学第一定律的表达式为W+Q=ΔU。 (3)热力学第二定律常见的两种表述分别从什么角度表述的? 提示：热传导的方向性,机械能和内能转化过程的方向性。 【解析】选A、C、E。做功和热传递都可以改变物体的内能,选项A正确;由热力学第一定律可知,对某物体做功,物体的内能可能增加、不变或减小,故B错;由热力学第二定律可知,通过外界作用可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功,可以使热量从低温物体传向高温物体,C对,D错;自然界中一切与热现象有关的过程都是不可逆的,所以E对。 【总结提升】解答热力学第二定律问题的两点注意 (1)“自发地”“不产生其他影响”的涵义。 ①“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性,不需要借助外界提供能量的帮助。 ②“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响,如吸热、放热、做功等。 (2)明确热力学过程方向性实例。 【变式训练】(多选)(2014·景德镇模拟)下列说法正确的是(　　) A.两个物体只要温度相等,那么他们分子热运动的平均动能就相等 B.在自然界能的总量是守恒的,所以不存在能源危机 C.热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成 D.热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体” E.1 kg的0℃的冰比1 kg的0℃的水的内能小些 【解析】选A、C、E。温度是分子热运动的平均动能的标志,两个物体只要温度相等,那么他们分子热运动的平均动能就相等,A选项正确;虽然在自然界能的总量是守恒的,但能的转化和转移具有方向性,所以B错;热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成,C正确;热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他的变化”D错;1kg的0℃的冰变成1 kg的0℃的水要吸收热量,所以E选项正确。 【加固训练】如图中汽缸内盛有一定量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气。现将活塞杆与外界连接使其缓慢向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的 是(　　) A.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律 B.气体是从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律 C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律 D.A、B、C三种说法都不对 【解析】选C。由于这个过程缓慢进行,所以可看成温度不变,即气体内能不变。因此气体吸收的热量和气体对外做的功相等,也就是从单一热源吸热,全部用来对外做功;但又为什么没有违反热力学第二定律呢?实际上这个过程是不能自发进行的,即气体是无法吸了热再推动活塞缓慢向右移动;它必须靠外力使杆向右移动,才能使气体膨胀,从而内能减少,温度下降,然后再从外界吸热。也就是说,在这个过程中拉杆消耗了能量,即引起了其他的变化。所以正确答案是C。 考点3
气体实验定律与热力学第一定律的综合
【典例3】(2013·山东高考)我国“蛟龙”号深海探测 船载人下潜超过七千米,再创载人深潜新纪录。在某次 深潜实验中,“蛟龙”号探测到990m深处的海水温度为 280 K。某同学利用该数据来研究气体状态随海水深度的变化,如图所示,导热良好的汽缸内封闭一定质量的气体,不计活塞的质量和摩擦,汽缸所处海平面的温度T0=300K,压强p0=1atm,封闭气体的体积V0=3m3。如果将该汽缸下潜至990m深处,此过程中封闭气体可视为理想气体。 (1)求990m深处封闭气体的体积(1atm相当于10 m深的海水产生的压强)。 (2)下潜过程中封闭气体________(选填“吸热”或“放热”),传递的热量__________(选填“大于”或“小于”)外界对气体所做的功。 【破题关键】 关键信息 思考方向 导热良好的汽缸 汽缸内封闭气体的温度与海水温度始终相等 1atm相当于10m深的海水产生的压强 990m深处海水产生的压强为99atm 【解析】(1)汽缸内的理想气体在深度为990m的海水中的压强为p1=
p0+p0=100atm 此处理想气体温度为T1=280K,根据理想气体状态方程可知： 联立代入数值可得：V=2.8×10-2m3 (2)理想气体的温度降低,气体的内能减小ΔU0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知Q<0,气体放热,且放出的热量大于外界对气体做的功。 答案：(1)2.8×10-2m3　(2)放热　大于 【典例4】(2014·浙江高考)如图所示,内壁光滑的圆柱形金属容器内有一个质量为m、面积为S的活塞。容器固定放置在倾角为θ的斜面上。一定量的气体被密封在容器内,温度为T0,活塞底面与容器底面平行,距离为h。已知大气压强为p0,重力加速度为g。 (1)容器内气体压强为________。 (2)由于环境温度变化,活塞缓慢下移
时气体温度为________;此过程中容器内气体________(选填“吸热”或“放热”),气体分子的平均速率________(选填“增大”“减小”或“不变”)。 【解题探究】 (1)试画出活塞的受力示意图。 提示：如图所示。 (2)活塞下移过程中,封闭气体的三个状态参量中保持不变的是 _____。 压强 【解析】(1)容器内气体的压强为p=p0+ (2)由于气体做等压变化,由盖—吕萨克定律可得
解得T′=外界对气体做功,而气体的内能减小,气体一定对外放热;温度降低,分子的平均动能减小,平均速率也减小。 答案：(1)p0+
　放热　减小 【变式训练】(2014·济南模拟)如图所示,一根上粗下 细、粗端与细端都粗细均匀的玻璃管上端封闭、下端 开口,横截面积S1=4S2,下端与大气连通。粗管中有一段 水银封闭了一定质量的理想气体,水银柱下表面恰好与粗管和细管的交界处齐平,空气柱和水银柱长度均为h=4cm。现在细管口连接一抽气机(图中未画出),对细管内气体进行缓慢抽气,最终使一半水银进入细管中,水银没有流出细管。已知大气压强为p0=76cmHg。 (1)求抽气结束后细管内气体的压强。 (2)抽气过程中粗管内气体吸热还是放热?请说明原因。 【解析】(1)缓慢抽气过程,粗管内气体温度不变,设抽气后粗管内气体压强为p1,细管内气体压强为p2,由玻意耳定律 (p0-h)·h=p1·(h+
h) p2=p1+(
h+2h) 可得p2=58cmHg (2)抽气过程粗管内气体温度不变,气体内能不变,ΔU=0;气体体积增大,对外做功,W0,故气体吸热。 答案：(1)58cmHg　(2)吸热　原因见解析 【加固训练】如图所示,一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再由状态B变化到状态C。已知状态A的温度为300K。
(1)求气体在状态B的温度。 (2)由状态B变化到状态C的过程中,气体是吸热还是放热?简要说明理由。 【解析】(1)由理想气体状态方程得 得气体在状态B的温度TB=
=1200K。 (2)由状态B到状态C,气体做等容变化,由查理定律得 则TC=
TB=600K。 气体由状态B到状态C为等容变化,不做功,但温度降低,内能减少。根据热力学第一定律ΔU=W+Q,ΔU<0,W=0,故Q0,则ΔU>0,气体的内能增加。 (3)√。自由摆动的秋千,在摆动过程中要克服阻力做功,机械能转化为内能,但总能量守恒。 (4)×。只要在外界有影响的条件下,可以实现热量从低温物体传到高温物体。 (5)×。一定质量的理想气体向真空自由膨胀时,体积增大,熵增大。 (6)√。做功和热传递在改变物体内能上是等效的,但本质不同,做功是将其他形式的能转化为内能或将内能转化为其他形式的能;热传递是将一个物体的内能转移到另一个物体。 【小题快练】 1.景颇族的祖先发明的点火器如图所示,用牛角做套筒,木制推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体,在此压缩过程中(　　) A.气体温度升高,压强不变 B.气体温度升高,压强变大 C.气体对外界做正功,气体内能增加 D.外界对气体做正功,气体内能减少 【解析】选B。筒内封闭气体在压缩过程中,外界对气体做正功。由热力学第一定律ΔU=W+Q知,气体内能增加,温度升高,由理想气体状态方程
=C知,气体压强增大,选项A、C、D错误,选项B正确。 2.一定质量的理想气体被活塞封闭在透热的汽缸中,如图所示。不计活塞与汽缸的摩擦,当用外力向上缓慢拉动活塞的过程中,环境温度保持不变。下列判断正确的是(　　) A.拉力对气体做正功,气体内能增加,吸收热量 B.拉力对气体做正功,气体内能保持不变,放出热量 C.气体对外做功,内能减小,放出热量 D.气体对外做功,内能不变,吸收热量 【解析】选D。活塞缓慢上移的过程中,气体膨胀对活塞做功,而气体温度保持不变,内能不变,由热力学第一定律ΔU=W+Q=0知,Q>0,即吸收热量,故只有D正确。 3.木箱静止于水平地面上,现用一个80N的水平推力推动木箱前进10m,木箱受到的摩擦力为60N,则转化为木箱与地面系统的内能和转化为木箱的动能分别是(　　) A.200 J、600 J
B.600 J、200 J C.600 J、800 J
D.800 J、200 J 【解析】选B。转化为木箱与地面系统的内能等于克服摩擦力所做的功,Q=Ffx=60×10J=600J,由能量守恒定律得,转化为木箱的动能等于外力所做的功减去木箱与地面系统的内能,得ΔEk=800J-600J=200J,选项B正确。 4.(多选)下列说法中正确的是(　　) A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可以实现的 C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行 D.一切物理过程都不可能自发地进行 【解析】选A、C。由热力学第二定律的物理意义知,A、C正确,D错误。不违背能量守恒定律的物理过程,如果违背热力学第二定律,也是无法实现的,故B错误。 考点1
热力学第一定律 1.改变内能的两种方式的比较： 　名称 项目　　 区 别 内能变化情况 做　功 外界对物体做功,物体的内能增加;物体对外界做功,物体的内能减少 热传递 物体吸收热量,内能增加;物体放出热量,内能减少 　名称 项目　　 区别 联系 从运动形式上看 从能量的角度看 能的性质变化情况 做　功 做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化 做功是其他形式的能与内能相互转化的过程 能的性质发生了变化 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 热传递 热传递则是通过分子之间的相互作用,使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化,是内能的转移 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移 能的性质不变 2.温度、内能、热量、功的比较： 　比较 名称　 温　度 内能 (热能) 热　量 功 含　　义 表示物体的冷热程度,是物体分子平均动能大小的标志,它是大量分子热运动的集体表现,对个别分子来说,温度没有意义 物体内所有分子动能和势能的总和,它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能 是热传递过程中内能的改变量,热量用来量度热传递过程中内能转移的多少 做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程 特点 状 态 量 过 程 量 【典例1】(多选)(2014·新课标全国卷Ⅰ)一定量的理想气体从状态a开始,经历三个过程ab、bc、ca回到原状态,其p-T图像如图所示。下列判断正确的是(　　) A.过程ab中气体一定吸热 B.过程bc中气体既不吸热也不放热 C.过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热 D.a、b和c三个状态中,状态a分子的平均动能最小 E.b和c两个状态中,容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同 【解题探究】 (1)热力学第一定律的表达式是什么? 提示：ΔU=Q+W。 (2)分子的平均动能由什么决定? 提示：由温度决定。 (3)气体压强的决定因素是什么? 提示：一个是气体分子的平均动能,一个是分子的密集程度。 【解析】选A、D、E。本题考查了气体性质。因为
=常数,从图中看,a→b过程
不变,则体积V不变,因此a→b过程是温度升高,压强增大,体积不变,一定是吸热过程,A正确;b→c过程温度不变,但是压强减小,体积膨胀对外做功,应该是吸收热量,B错误;c→a过程压强不变,温度降低,体积减小,外界对气体做功小于气体放出的热量,C错误;状态a温度最低,而温度是分子平均动能的标志,D正确;b→c过程体积增大了,容器内分子数密度减小,温度不变,分子平均速率不变,因此c状态容器壁单位面积单位时间受到分子碰撞的次数减少了,E正确。 【易错提醒】本题容易出现的错误有： (1)不能从p-T图中判断出a→b过程是等容变化过程,而漏选A项。 (2)应用热力学第一定律分析问题时,不能正确运用符号法则导致错选B、C项。 【总结提升】判定物体内能变化的方法 (1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。 (2)做功情况看气体的体积：体积增大,气体对外做功,W为负;体积缩小,外界对气体做功,W为正。 (3)与外界绝热,则不发生热传递,此时Q=0。 (4)如果研究对象是理想气体,则由于理想气体没有分子势能,所以当它的内能变化时,主要体现在分子动能的变化上,从宏观上看就是温度发生了变化。 【变式训练】(多选)(2014·广东高考)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示。充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体(　　) A.体积减小,内能增大 B.体积减小,压强减小 C.对外界做负功,内能增大 D.对外界做正功,压强减小
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热力学能的变化量等于热量Q加体积功W其中定义：能量增加为正 、吸热为正、 外界对气体做工为正.具体到吸热膨胀,气体对外做功,w=-pΔV为负值,热力学能的变化量等于“吸收”的热量“减去”系统因对外做体积功而损失的能量,即：ΔU=Q+w=Q-pΔV
我懂了，谢谢，还有吸热膨胀后热力学能是增加还是减少可以判断吗？
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